CN104249876A - 一种阻隔防爆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阻隔防爆材料及其制备方法，所述阻隔防爆材料包括铝合金基材，所述铝合金基材的表面依次覆盖有厚度为2~20微米的氧化膜层和厚度为0.5~5微米的绝缘涂层；其中，所述氧化膜层通过直接对铝合金基材表面进行氧化得到。本发明提供的阻隔防爆材料，其表面具有耐腐蚀性和电阻率均较高的绝缘表层，因此其即使在水环境中也不会与储罐材料形成电化学腐蚀，能有效提高材料的使用寿命。

Description

一种阻隔防爆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于阻隔防爆技术领域，具体涉及一种阻隔防爆材料及其制备方法。

背景技术

目前市场上的铝合金阻隔防爆材料在性能提升方面的主要手段有：（1）在材料中添加多种金属微量元素，使抑爆材料不会塌陷，始终保证抑爆效果，且硬度、弹性、延伸性、折弯性上大大增强；（2）对材料加工工艺进行改进，改变阻隔防爆材料的多项性能，解决了防爆材料长期使用会产生破碎、易堵塞油路系统的难题；例如可采用独特的安装工艺保证抑爆材料长期使用，不会塌陷，始终保证抑爆效果。但阻隔防爆材料在使用过程中，除了力学性能需要满足使用需求以外，抗腐蚀性能也尤为重要，由于储罐顶部及底部容易积累水蒸气或水分，铝合金暴露在这样的环境中，容易和储罐材料间容易形成电化学腐蚀，导致铝合金出现腐蚀并且不断溶解，时间长了就会影响铝合金的结构强度，并且对阻隔效果产生一定的安全隐患。

现有技术中公开了一种阻隔防爆材料，其通过在铝合金材料制备的蜂窝网状结构材料的表面经磷化、化学氧化，阳极氧化处理形成底层后再喷涂PF109涂料，形成防火导电涂层，用于提高其耐油、耐蚀和耐热等性能。但采用该方法实际得到的阻隔防爆材料的耐腐蚀性能仍较差，使用寿命仍较短。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的阻隔防爆材料易被腐蚀导致使用寿命较短的技术问题。

本发明提供了一种阻隔防爆材料，所述阻隔防爆材料包括铝合金基材，所述铝合金基材的表面依次覆盖有厚度为2~20微米的氧化膜层和厚度为0.5~5微米的绝缘涂层；其中，所述氧化膜层通过直接对铝合金基材表面进行氧化得到。

本发明还提供了所述阻隔防爆材料的制备方法，包括以下步骤：先对铝合金基材表面进行氧化处理，在其表面形成氧化膜层；然后在氧化膜层表面涂覆绝缘涂料，固化后形成绝缘涂层。

本发明提供的阻隔防爆材料，通过先对阻隔防爆用铝合金基材表面进行表面处理，使其表层形成耐腐蚀性和电阻率均较高的双层绝缘表层结构，这种绝缘表层在储罐的水环境中不容易与储罐材料之间发生电化学腐蚀，并且材料本身的耐腐蚀性有很大的提高，从而能有效保证其在储罐中的使用寿命及安全性。

具体实施方式

发明人根据电化学腐蚀理论，对目前的阻隔防爆材易被腐蚀的原理进行了如下分析：当铝合金基材处于水环境中，由于合金中物相组成引起的电化学不均匀、化学成分不均匀、晶体结构不均匀以及应力分布不均匀等因素，会在铝合金表面形成腐蚀微电池；该腐蚀微电池尺寸小，电极直接接触，会形成大量短路电池，腐蚀速率加快快，使铝表面发生溶解。此外，当铝和铁在水环境中相互接触时，由于铝的标准电极电位比铁低，因此铝和铁以及水共同形成腐蚀电池，电位低的铝发生溶解。一般情况下，当铝表面形成稳定的钝化膜时，其表面溶解会受到阻滞；在自然条件下，铝表面极容易形成一层极薄的钝化膜，厚度为纳米级别，但该钝化膜极易受到损伤，因此仅凭表面纳米级别的钝化膜对铝的电化学腐蚀仍起不到明显的保护作用。

发明人通过进一步的实验发现，当铝表面的氧化膜达到微米级别时，对铝的保护作用则变得明显强烈，使得铝难以发生溶解，从而保护铝在储罐中的存放。更进一步地，发明人在微米级氧化膜表面再形成一层绝缘涂层时，其可以更有效地保护氧化铝薄膜，进一步提高其绝缘性能和耐腐蚀性能。

因此，本发明提供了一种阻隔防爆材料，所述阻隔防爆材料包括铝合金基材，所述铝合金基材的表面依次覆盖有厚度为2~20微米的氧化膜层和厚度为0.5~5微米的绝缘涂层；其中，所述氧化膜层通过直接对铝合金基材表面进行氧化得到。发明人通过大量实验发现，表面绝缘涂层的厚度无需过大，否则原材料成本会增加，同时会降低涂层材料的附着力；同时，绝缘涂层的厚度也不宜过小，否则不能起到对内层氧化膜层保护的作用。

本发明提供的阻隔防爆材料的制备方法，包括以下步骤：先对铝合金基材表面进行氧化处理，在其表面形成氧化膜层；然后在氧化膜层表面涂覆绝缘涂料，固化后形成绝缘涂层。

如前所述，本发明中，所述氧化膜层通过直接对铝合金基材表面进行氧化得到，其氧化处理步骤可直接采用现有技术中常用的各种铝合金表面氧化步骤，例如可以采用阳极氧化或化学氧化，对应地得到的所述氧化膜层即为阳极氧化膜层或化学氧化膜层。

其中，阳极氧化的步骤为本领域技术人员所公知，即将铝合金基材作为阳极，阴极可采用铅板但不局限于此，然后将阳极、阴极整体浸入电解液中，然后在外加电流作用下，在阳极（即铝合金基材）表面形成一层致密的氧化铝薄膜层。其中，所述电解液为含有硫酸、草酸、硼酸、甲酸中至少一种的水溶液。优选情况下，阳极氧化的条件还包括：电压为10~60V，温度为5~35℃。

作为本领域技术人员的公知常识，在对铝合金基材进行氧化之前还需对铝合金基材表面依次进行化学脱脂、碱腐蚀和出光处理。其中，所述化学脱脂所采用的脱脂液为含有可溶性钠盐、氢氧化钠和乳化剂的水溶液。其中，所述可溶性钠盐选自磷酸钠、碳酸钠、三聚磷酸钠、硅酸钠、偏硅酸钠中的一种或多种。乳化剂可采用OP-10，但不局限于此。优选情况下，化学脱脂的条件还包括：温度为45~65℃，时间为5~20min。

化学脱脂完成后即可对铝合金基材进行碱腐蚀处理，所述碱腐蚀所采用的腐蚀液为氢氧化钠水溶液。优选情况下，碱腐蚀的条件包括：温度为45~60℃，时间为0.5~5min。

碱腐蚀完成后即可对铝合金基材进行出光处理，所述出光所采用的出光液为硝酸水溶液，但不局限于此。优选情况下，出光的条件包括：温度为15~30℃，时间为0.5~5min。碱腐蚀和出光处理的作用均是为了去除铝合金基材表面的氧化物及杂质。

作为本领域技术人员的公知常识，在出光处理后即可进行阳极氧化处理，阳极氧化处理完成后，还需对铝合金基材进行表面干燥，防止有电解液残留于表面阳极氧化膜层中。干燥可直接采用自然风干，也可采用热风风干。需要注意地是，热风风干时，风力不能过大，风向最好不正对着阳极氧化膜层，防止氧化膜层被损坏，斜向吹干较佳。

所述化学氧化的步骤也属于本领域公知常识，即将铝合金基材浸渍于化学氧化溶液中一定时间即可。所述化学氧化溶液可直接采用现有技术中常见的各种化学氧化溶液。优选情况下，本发明中，所述化学氧化溶液为含有碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、重铬酸钾、铬酸钠中至少一种的水溶液。化学氧化处理的条件还包括：温度为65~95℃。

本发明中，对于阳极氧化、化学氧化的时间没有特殊限定，只需其保证形成相应厚度（2~20微米）的氧化膜层即可。由于阳极氧化过程中反应相对较剧烈，因此阳极氧化的时间会短于化学氧化的时间。

类似地，在化学氧化处理之前还包括对铝合金基材表面依次进行化学脱脂、出光、碱腐蚀和出光的步骤，各处理步骤的方法与阳极氧化类似，此处不再赘述。

如前所述，阳极氧化过程中反应相对较剧烈，而化学氧化则相对缓慢。因此，本发明中，在对铝合金基材表面进行化学脱脂之前，还可先对其表面进行有机溶剂脱脂处理，即将其浸渍于有机溶剂中一定时间，以除去铝合金表面各种油渍或污物，防止其后续影响化学氧化的反应速率。

所述有机溶剂脱脂所采用的脱脂液为烃类、卤代烃类、醇类、酮类有机溶剂中的任意一种。优选情况下，所述有机溶剂脱脂所采用的脱脂液可选自乙醇、丙酮、石油醚、二氯乙烷、三氯乙烯中的任意一种，但不局限于此。

根据本发明提供的阻隔防爆材料，其在氧化膜层表面还具有一层绝缘涂层，其可以进一步地保护内层的氧化膜层，提高绝缘性能。所述绝缘涂层可以采用有机绝缘涂层，也可以采用无机绝缘涂层，本发明没有特殊限定。

如前所述，所述绝缘涂层通过在氧化膜层表面涂覆绝缘涂料后固化形成。当在氧化膜层表面涂覆有机绝缘涂料时，固化后即形成有机绝缘涂层；类似地，当在氧化膜层表面涂覆无机绝缘涂料时，固化后即形成有无绝缘涂层。所述涂覆的方式可采用现有技术中常用的喷涂、浸涂、流涂、滚涂、粉末涂等各种涂覆方法，本发明没有特殊限定。

其中，所述有机绝缘涂料中含有可固化树脂、颜料、固化剂及辅助成膜物质。其中，所述辅助成膜物质包括溶剂及助剂，助剂为涂料中常用的各种助剂，例如可选自颜料、增塑剂、稀释剂、固化促进剂、偶联剂、消泡剂中的一种或多种，其均为本领域技术人员所公知，此处不再赘述。通过可固化树脂与固化剂在固化条件下发生固化交联、或者可固化树脂的自身交联，同时溶剂在固化条件下挥发，形成树脂固化层，并附着于氧化膜层表面，得到所述有机绝缘涂层。其中，所述可固化树脂可采用现有技术中常见的各种耐腐蚀性能、绝缘性能及耐火性能较好的树脂，例如可选自天然树脂、纤维树脂、环氧树脂中的一种或多种，但不局限于此。所述固化剂可采用胺类固化剂，优选为多胺类固化剂，例如可选自脂肪族胺类、芳族胺类、酰胺基胺类、潜伏固化胺类及尿素替代物中的一种或多种。

为保证表面绝缘涂层的各种性能需求，所述有机绝缘涂料中还可根据需要含有各种助剂，本发明均没有特殊限定。

优选情况下，在氧化膜层表面涂覆前述有机绝缘涂料后，其固化的条件包括：固化温度为室温~150℃，固化时间为2~20h。

所述无机绝缘涂料中含有基料、填料、及助剂。其中，所述助剂包含颜料、分散剂、增稠剂、固化剂、表面活性剂中的一种或多种。其中，基料一般为硅酸盐类水溶液，例如可采用硅酸钾水溶液或氟硅酸钠改性水玻璃，但不局限于此。固化时，基料中的水分挥发掉，残留的硅酸盐类发生自身固化或者与固化剂发生反应并固化，并与填料一起残留于氧化膜层表面，得到所述无机绝缘涂层（即无机填料层）。其中，所述填料可采用现有技术中常见的各种耐高温性能及绝缘性能优良的陶瓷绝缘涂料，例如可选自氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化硅中的一种或多种，但不局限于此。

为保证无机绝缘涂料固化后形成的无机绝缘层具有良好的绝缘性能，优选情况下，所述填料的平均粒径为0.01~50μm。

当绝缘涂料采用无机绝缘涂料时，其固化条件包括：固化温度为室温~60℃，固化时间为0.5~10h。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

取铝箔（记为样品C1）进行如下处理：

（1）化学脱脂：将铝箔浸于化学脱脂液中进行脱脂处理；化学脱脂液组成：磷酸钠20g/L、碳酸钠20g/L、氢氧化钠5g/L、OP-10 1g/L；化学脱脂条件：温度55℃，时间10min；

（2）碱腐蚀：将经过步骤（1）的铝箔浸于碱腐蚀液中进行碱腐蚀处理；碱腐蚀液组成：氢氧化钠20g/L；碱腐蚀条件：温度50℃，时间0.5min；

（3）出光：将经过步骤（2）的铝箔浸于出光液中进行出光处理；出光液组成：硝酸200g/L；出光条件：温度25℃，时间0.5min；

（4）阳极氧化：以经过步骤（3）的铝箔作为阳极，以铅板为阴极，然后将阳极、阴极整体浸入电解液中，通直流电流，在铝箔表面形成一层致密的氧化铝薄膜层；电解液组成为：硫酸200g/L，草酸5g/L；阳极氧化条件；电压为15V，温度20℃；形成的阳极氧化膜的厚度为6微米，得到的样品记为C2；

（5）涂覆绝缘涂料：在步骤（4）的阳极氧化膜表面滚涂有机绝缘涂料，涂料组成为：100份环氧树脂、0.5份珠光粉、20份甲乙酮、21份三甲基六亚甲基二胺，然后在150℃下固化3h，形成厚度为2微米的绝缘涂层，得到本实施例的阻隔防爆材料，记为S1。

实施例2

取铝箔进行如下处理：

（1）化学脱脂：将铝箔浸于化学脱脂液中进行脱脂处理；化学脱脂液组成：三聚磷酸钠3g/L、硅酸钠15g/L、氢氧化钠10g/L、OP-10 3g/L；化学脱脂条件：温度60℃，时间5min；

（2）碱腐蚀：将经过步骤（1）的铝箔浸于碱腐蚀液中进行碱腐蚀处理；碱腐蚀液组成：氢氧化钠30g/L；碱腐蚀条件：温度45℃，时间0.5min；

（3）出光：将经过步骤（2）的铝箔浸于出光液中进行出光处理；出光液组成：硝酸300g/L；出光条件：温度20℃，时间0.5min；

（4）阳极氧化：以经过步骤（3）的铝箔作为阳极，以铅板为阴极，然后将阳极、阴极整体浸入电解液中，通交流电流，在铝箔表面形成一层致密的氧化铝薄膜层；电解液组成为：草酸80g/L，甲酸50g/L；阳极氧化条件；电压50V；温度15℃；形成的阳极氧化膜的厚度为10微米；

（5）涂覆绝缘涂料：在步骤（4）的阳极氧化膜表面喷涂无机绝缘涂料，涂料组成为：按重量计算，100份基料70wt%硅酸钾水溶液、110份填料氧化铝、氧化钛微粉（平均粒径为20μm）、5份碳酸钠、10份固化剂耐碱性乳液型硅氧烷，然后在60℃下固化2h，形成厚度为1微米的绝缘涂层，得到本实施例的阻隔防爆材料，记为S2。

实施例3

取铝箔进行如下处理：

（1）有机溶剂脱脂：将铝箔浸于有机溶剂脱脂液中进行超声脱脂处理；有机溶液脱脂液组成：体积比为1：1的乙醇和水混合液；脱脂条件：温度20℃，10min；

（2）化学脱脂：将经过步骤（1）的铝箔浸于化学脱脂液中进行脱脂处理；化学脱脂液组成：碳酸钠15g/L、偏硅酸钠5g/L、氢氧化钠5g/L、OP-10 1g/L；化学脱脂条件：温度65℃，时间8min；

（3）碱腐蚀：将经过步骤（2）的铝箔浸于碱腐蚀液中进行碱腐蚀处理；碱腐蚀液组成：氢氧化钠20g/L；碱腐蚀条件：温度50℃，时间0.5min；

（4）出光：将经过步骤（3）的铝箔浸于出光液中进行出光处理；出光液组成：硝酸200g/L；出光条件：温度25℃，时间0.5min；

（5）化学氧化：将经过步骤（4）的铝箔浸入化学氧化溶液中进行化学氧化处理；化学氧化溶液组成：碳酸钠50g/L，铬酸钠15g/L；化学氧化条件：温度90℃；形成的化学氧化膜的厚度为5微米，得到的样品记为C3；

（6）涂覆绝缘涂料：在步骤（4）的阳极氧化膜表面滚涂有机绝缘涂料，涂料组成为：100份环氧树脂、15份乙酸丙酯、0.5份钛白粉、0.2份滑石粉、16份间胺基甲胺，然后在150℃下固化3h，形成厚度为1.5微米的绝缘涂层，得到本实施例的阻隔防爆材料，记为S3。

实施例4

取铝箔进行如下处理：

（1）有机溶剂脱脂：将铝箔浸于有机溶剂脱脂液中进行超声脱脂处理；有机溶液脱脂液组成：三氯乙烯中添加0.05%质量分数的三乙胺；脱脂条件：温度25℃，时间5min；

（2）化学脱脂：将经过步骤（1）的铝箔浸于化学脱脂液中进行脱脂处理；化学脱脂液组成：磷酸钠25g/L、偏硅酸钠3g/L、氢氧化钠10g/L、OP-10 2g/L；化学脱脂条件：温度60℃，时间10min；

（3）碱腐蚀：将经过步骤（2）的铝箔浸于碱腐蚀液中进行碱腐蚀处理；碱腐蚀液组成：氢氧化钠30g/L；碱腐蚀条件：温度45℃，时间0.5min；

（4）出光：将经过步骤（3）的铝箔浸于出光液中进行出光处理；出光液组成：硝酸300g/L；出光条件：温度20℃，时间0.5min；

（5）化学氧化：将经过步骤（4）的铝箔浸入化学氧化溶液中进行化学氧化处理；化学氧化溶液组成：碳酸钠18g/L，重铬酸钾6g/L；化学氧化条件：温度70℃；形成的化学氧化膜的厚度为3微米；

（6）涂覆绝缘涂料：在步骤（5）的阳极氧化膜表面喷涂无机绝缘涂料，涂料组成为：按重量计算，100份基料氟硅酸钠改性水玻璃、120份填料氧化铝微粉（平均粒径为2μm）、15份固化剂硼酸钠、5份颜料滑石粉、5份增稠剂CMC溶液，然后在40℃下固化4h，形成厚度为1微米的绝缘涂层，得到本实施例的阻隔防爆材料，记为S4。

对比例1

采用与实施例1相同的步骤（1-4）对铝箔表面进行处理，然后在阳极氧化膜层表面再喷涂PF109涂料形成厚度为1微米的防火导电涂层，得到本对比例的样品，记为C4。

性能测试

1、中性盐雾测试（NASS）：模拟铝处于水环境中的腐蚀微电池效应，对样品S1-S4和C1-C4  进行下列测试步骤：

（1）NaCl溶液的配置：将分析纯的NaCl溶于去离子水中配成浓度为50±5g/L的溶液；

（2）pH调整：调整以上配置的溶液pH值在6.5-7.2之间；

（3）温度设定：设定盐雾箱内温度为36℃，饱和桶温为46℃；

（4）盐雾溶液平均收集速率（1-2.5）ml/80cm²·h；

样品放置：与垂直方向呈30°放置；

样品检查：用流动的水冲洗掉样品表面的盐沉积物后吹干放置1-2h后检查，以样品表面开始出现腐蚀的时间点作为实验结果。

2、腐蚀电池模拟测试：将样品S1-S4和C1-C4     和钢铁采用导线相互导通，然后置于35℃恒温水中，以样品表面开始出现腐蚀的时间点作为实验结果。

测试结果如下表1所示。    

表1

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从上表1的测试结果可以看出，采用本发明提供的制备方法制备得到的阻隔防爆材料，其表面具有耐腐蚀性和电阻率均较高的绝缘表层，因此其即使在水环境中也不会与储罐材料形成电化学腐蚀，能有效提高材料的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种阻隔防爆材料，其特征在于，所述阻隔防爆材料包括铝合金基材，所述铝合金基材的表面依次覆盖有厚度为2~20微米的氧化膜层和厚度为0.5~5微米的绝缘涂层；其中，所述氧化膜层通过直接对铝合金基材表面进行氧化得到。

2.根据权利要求1所述的阻隔防爆材料，其特征在于，所述氧化膜层为阳极氧化膜层或化学氧化膜层。

3.根据权利要求1所述的阻隔防爆材料，其特征在于，所述绝缘涂层为有机绝缘涂层和/或无机绝缘涂层。

4.根据权利要求3所述的阻隔防爆材料，其特征在于，所述有机绝缘涂层为树脂固化层；所述树脂固化层所采用的树脂选自天然树脂、纤维树脂、环氧树脂中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的阻隔防爆材料，其特征在于，所述无机绝缘涂层为无机填料层；所述无机填料层所采用的填料选自氧化铝、氮化硅、云母中的一种或多种。

6.权利要求1所述的阻隔防爆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先对铝合金基材表面进行氧化处理，在其表面形成氧化膜层；然后在氧化膜层表面涂覆绝缘涂料，固化后形成绝缘涂层。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述氧化处理为阳极氧化；所述阳极氧化的条件包括：电解液为含有硫酸、草酸、硼酸、甲酸中至少一种的水溶液，电压为10~60V，温度为5~35℃。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括在阳极氧化之前对铝合金基材表面依次进行化学脱脂、碱腐蚀和出光的步骤。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述氧化处理为化学氧化；所述化学氧化的条件包括：化学氧化溶液为含有碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、重铬酸钾、铬酸钠中至少一种的水溶液，温度为65~95℃。

10.根据权利要9所述的制备方法，其特征在于，还包括在化学氧化之前对铝合金基材表面依次进行有机溶剂脱脂、化学脱脂、出光、碱腐蚀和出光的步骤。

11.根据权利要8或10所述的制备方法，其特征在于，所述化学脱脂所采用的脱脂液为含有可溶性钠盐、氢氧化钠和乳化剂的水溶液；其中，所述可溶性钠盐选自磷酸钠、碳酸钠、三聚磷酸钠、硅酸钠、偏硅酸钠中的一种或多种；

所述碱腐蚀所采用的腐蚀液为氢氧化钠水溶液；所述出光所采用的出光液为硝酸水溶液。

12.根据权利要10所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂脱脂所采用的脱脂液为烃类、卤代烃类、醇类、酮类有机溶剂中的任意一种。

13.根据权利要6所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘涂料为有机绝缘涂料；所述有机绝缘涂料中含有可固化树脂、颜料、固化剂及辅助成膜物质；其中，所述可固化树脂选自天然树脂、纤维树脂、环氧树脂中的一种或多种，所述固化剂为胺类固化剂。

14.根据权利要13所述的制备方法，其特征在于，涂覆绝缘涂料后固化的条件包括：固化温度为室温~150℃，固化时间为2~20h。

15.根据权利要6所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘涂料为无机绝缘涂料；所述无机绝缘涂料中含有基料、填料、颜料及助剂；其中，所述填料选自氧化铝、氧化铬、氮化硅中的一种或多种。

16.根据权利要15所述的制备方法，其特征在于，所述填料的平均粒径为0.01~50μm。

17.根据权利要15所述的制备方法，其特征在于，涂覆绝缘涂料后固化的条件包括：固化温度为室温~60℃，固化时间为0.5~10h。